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摘要：船舶与海洋工程结构的疲劳断裂问题一直是船海工程领域所关注的主要课题，也是船舶与海洋工程结构强度校核的重要内容之一。本文通过对船舶与海洋工程结构疲劳分析的范畴及船舶结构疲劳分析的工程应用的讨论，构建了《船舶与海洋工程结构疲劳强度》本科生课程知识体系。
关键词：疲劳强度;本科生课程;船舶与海洋工程;知识体系
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）21-0263-02
疲劳破坏是船舶与海洋工程结构破坏的主要模式之一。目前，船舶结构的疲劳强度的校核已经成为油轮、散货船等必须要进行的强度校核内容。为了能更好地完成结构的设计和强度校核，船舶与海洋工程研究和设计人员，必须掌握相关的疲劳分析的基本理论知识及船舶与海洋结构物的疲劳特性及相应计算分析方法。本文尝试从船舶与海洋结构疲劳分析的理论、船舶与海洋结构疲劳分析的工程应用出发，对《船舶与海洋工程结构疲劳强度》本科生课程知识体系构建进行探究，从而为船舶与海洋结构疲劳分析教学和学习提供参考。
一、船舶与海洋工程结构疲劳分析的范畴
为构建合理的船舶与海洋工程结构疲劳强度本科生课程知识体系，首先需要在总体上明确船舶与海洋工程结构疲劳分析的宏观范畴。而船舶与海洋工程结构疲劳分析的范畴必然远远大于本科生课程知识的范畴。当对整体的船舶与海洋工程结构疲劳分析有了明确的概念后，才能根据本科生的特点，构建相应的知识体系。结构疲劳破坏过程一般可划分为三个阶段：裂纹的萌生阶段、裂纹的稳定扩展阶段以及最后的断裂阶段。目前的疲劳分析方法大都是建立在宏观分析的层次上的。在这个层次上，疲劳分析方法主要可以分成两类：一是基于S-N曲线和Miner线性累积损伤准则的疲劳累积损伤方法（即通常所称的S-N曲线方法），二是基于裂纹扩展法则的断裂力学方法（即通常所称的断裂力学方法）。S-N曲线方法的基础是S-N曲线及累积损伤理论，S-N曲线表示了构件的寿命与所受的各级应力范围水平之间的关系，对于多级应力范围水平连续作用时，一般按照线性累积损伤理论进行疲劳累积损伤的计算。这种受应力范围水平控制的疲劳一般称为应力疲劳，然而，工程上也有许多构件，在其整个服役期间内，构件所经历的循环载荷次数并不多，但载荷水平却较高（超过屈服应力），寿命短，这种疲劳问题，通常称为应变疲劳或低周疲劳。断裂力学假设在材料和结构中存在裂纹，又分为线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学，应力强度因子K和J积分等断裂参数可用于描述裂纹尖端附近的应力和应变特性。线弹性力学从应力强度因子和能量释放率两方面描述含裂纹体的力学行为，所提出的断裂准则实际上是传统强度理论的补充和革新。线弹性断裂力学进一步还扩充到了预测含裂纹体在交变载荷下的疲劳裂纹扩展行为，从而可以完成对结构从初始裂纹扩展到临界裂纹尺寸时的疲劳寿命的计算。弹塑性断裂力学要考虑材料非线性效应，主要的理论有裂纹张开位移（COD）理论和J积分理论等。通过上面的分析可知，宏观上的疲劳分析方法主要有S-N曲线方法和断裂力学方法两个大的方面，以上两种方法又各自具有不同的体系和理论脉络。船舶与海洋工程结构疲劳分析本科生课程体系应该在这两种理论体系下展开。
二、船舶结构疲劳评估方法的工程应用
船舶结构尺寸是基于相关规范进行设计的。船舶规范是相关船舶运营经验和理论分析方法相互结合的产物。船舶结构的疲劳强度分析方法或者分析流程与步骤，规范中也做了相应的规定。从本科生学习和工作的角度而言，掌握规范的疲劳分析流程和方法是十分必要的。目前，船舶与海洋结构物疲劳分析规范的基本理论主要是基于S-N曲线的线性累积损伤的方法。如果只考虑到对规范的学习和掌握，仅开展有关S-N曲线方法知识的讲述是合适的。但是从掌握船舶与海洋结构疲劳分析有关知识的全面性来考查，我们认为既要涉及S-N曲线方法也要涉及断裂力学方法，但是应该将S-N曲线方法进行重点而详细的探讨，进而将该方法拓展至在船舶与海洋结构疲劳分析中的应用，而对于断裂力学方法进行必要的概念性、基本方法的简要介绍即可。
三、本科生知识体系的构建
（一）理论系统脉络要清晰
首先应建立疲劳的基本概念并明确疲劳问题的特点，在此基础上展开讨论给出疲劳分析的基本方法，主要包括S-N曲线方法和断裂力学方法，并对疲劳分析的S-N曲线方法和断裂力学方法分别进行探讨。S-N曲线的方法主要涉及到S-N曲线的概念、物理意义、表达形式以及影响S-N曲线的有关因素，包括平均应力、载荷形式、尺度效应等。对于受到不同水平应力范围作用的结构疲劳问题，一般应用累积损伤的方法进行分析计算，其中最为重要的亦是应用最为广泛的就是迈纳（Miner）线性累积损伤理论。对于随机载荷情况，需要对载荷时间历程进行计数，物理意义明确，应用广泛的雨流计数方法应该作为重点内容。由于裂纹的存在，结构或构件的强度不可避免地要受到削弱。在使用载荷、腐蚀环境或此二者共同的作用下，结构中存在的裂纹一般还将扩展，裂纹的尺寸也将随着使用时间的增加而不断增长。因此，随着使用时间的增加，裂纹尺寸的增长，结构或构件的剩余强度也将随之下降。若使用中出现较大的偶然载荷，剩余强度不足以承受此载荷，则结构或构件将发生断裂破坏。若在正常载荷下工作，不出现意外的高载荷，则裂纹将持续扩展，剩余强度不断降低，直到最后在正常的工作载荷下发生断裂。因此，我们需要回答下述问题：控制含裂纹结构或构件是否发生破坏的力学参数是什么？怎样建立断裂破坏的力学判据？剩余强度与裂纹尺寸的定量关系是如何表达的？裂纹是如何不断发生扩展的？裂纹从某一个初始尺寸增长到发生破坏所对应的临界裂纹尺寸，如何计算其扩展寿命？结构中可以允许存在多大尺寸的初始裂纹？如何确定临界裂纹尺寸？为保证结构的安全使用，在日常应如何科学合理地安排检测维修？等等。我们认为船舶与海洋工程结构疲劳本科生知识点仅涵盖线弹性断裂力学即可，可以不涉及弹塑性断裂的知识。
（二）突出与规范相结合的S-N曲线方法
对于船舶与海洋工程专业本科生而言，S-N曲线方法仍然是相对重要的知识，因为目前船舶与海洋工程结构领域内有关规范的疲劳分析方法仍然主要是S-N曲线的线性累积损伤方法，所以需加以重点论述。同时，应特别注意船舶与海洋工程疲劳分析理论与疲劳规范有关的累积损伤计算公式的关系，即规范的公式可由线性累积损伤理论推导得出。明白了理论的推导，也能更好地与规范相结合，便于规范的理解与应用。例如，按Miner线性累积损伤理论，当疲劳载荷是用相应于一定时间内的连续概率密度函数表示时，疲劳累积损伤度的计算可写为，
式中，S为应力范围水平，fS（S）为应力范围分布的连续概率密度函数，N为在应力范围水平S的单一循环载荷作用下的寿命，NL为所考虑的整个时间期间内应力范围水平的总循环次数，dn=NL fS（S）dS为落在区间[S，S+dS]内的应力范围循环次数，为对所考虑的整个使用时间的积分。
将应力范围S的长期分布的表达式，见式（2）及N=A/Sm代入式（1）
式中，q称为尺度参数，h称为形状参数。得到相应的疲劳损伤计算式
式中，m，A为S-N曲线参数，Γ（）为伽玛函数。
式（3）即为规范中计算累积损伤的基本公式，在规范中是直接给出的，并没有推导过程。通过相关的疲劳理论推导，给出了公式的来龙去脉，使学生能更好地掌握疲劳理论，也能将其与实际工程分析相结合。
（三）工程案例分析
疲劳分析的根本目的是工程设计和工程应用，因此，结合规范的疲劳分析方法，使学生掌握该分析方法是船舶与海洋工程专业本科生的基本要求之一。这一目标可以通过布置相应的大作业，要求学生根据规范完成实际船舶的疲劳校核来实现。通过实船的疲劳分析，学生可以明白船舶结构疲劳校核的关键部位，并进一步深化理解船舶结构疲劳分析的主要的计算流程：疲劳载荷的计算;各应力范围分量的计算;应力集中系数的确定;疲劳应力范围的合成;疲劳累积损伤的计算及衡准。通过疲劳分析理论与工程实际的结合，真正地实现了学以致用，对理论方法的理解得以深化，工程实际的动手能力、分析问题的能力也得到了增强。
四、展望
我们根据自己的教学和科研工作经验，对《船舶与海洋工程结构疲劳强度》本科生课程知识体系进行了初步的分析与研究，构建了船舶与海洋工程专业本科生课程《船舶与海洋工程结构疲劳强度》的知识体系。而船舶与海洋工程结构疲劳分析也是一个不断发展变化的研究热点，必将有一些创新的成果被人们认识。所以，船舶与海洋工程专业本科生课程《船舶与海洋工程结构疲劳强度》的知识体系，是一个开放的体系，有待不断更新，不断完善。
参考文献：
[1]支庆庆，贺竹梅.遗传学知识体系构建的思考[J].高校生物学教学研究（电子版），2013，3（1）：7–11.
[2]冯国庆.船舶结构疲劳强度评估方法研究[D].哈尔滨工程大学，2006.